Усталостные разрушения

Основные закономерности развития усталостных разрушений в процессе эксплуатации могут быть получены на основе кривой усталости. Основой для аналитического описания кривой многоцикловой усталости деталей можно считать структурную неоднородность материала и модель Е. Орована процесса микропластического деформирования и разрушения пластических элементов материала при переменном нагружении. При определенном условиями эксплуатации среднем уровне амплитуды напряжений в детали s_а, в процессе эксплуатации и с возрастанием числа циклов нагружения N, в материале детали постепенно возрастает число разрушенных пластических элементов, в результате чего сокращается число несущих упруго-деформируемых элементов.

Это можно пояснить графически (Рис. 2.45) с учетом фактической неоднородности и диаграмм напряжения и деформации различных элементов детали, имеющих и различный уровень предела текучести, закон распределения которого можно принять нормальным. По мере разрушения пластических элементов с возрастанием числа циклов нагружения сокращается число несущих упруго деформируемых элементов (незаштрихованная площадь под кривой распределения на Рис. 2.45), а фактическая амплитуда напряжений в упруго деформируемых элементах s_аф возрастает, что приводит и к превышению среднего предела текучести и предела прочности. Оставшееся сечение детали при этом уже подвергается хрупкому разрушению (происходит долом детали).

Рис. 2.45. Схема влияния структурной неоднородности материала детали на рост фактической амплитуды напряжений s_аф с увеличением числа циклов нагружения:

а - семейство диаграмм нагружения и деформации элементов материала; б - распределение предела текучести и рост s_аф в процессе циклического нагружения

В результате распространения усталостных трещин вглубь детали сечение разрушения имеет две характерные зоны (Рис. 2.46). В зоне вязкого (пластического) разрушения F_b поверхность гладкая (зеркальная), т.к. в процессе деформации микронеровности (зерна) взаимно приглаживаются.

В зоне хрупкого разрушения "долома" F_x поверхность имеет матовую зернистую структуру. Соотношение и расположение этих зон зависит от амплитуды и вида нагружения (растяжение-сжатие, изгиб, кручение; симметричный, ассиметричный, пульсирующий циклы).

Рис. 2.46. Схема поверхности усталостного разрушения при симметричном изгибе (Fb - зона вязкого, Fx - хрупкого излома).

Для математического описания процесса усталостного разрушения, то есть изменения фактической амплитуды напряжений s_аф и площади разрушения F_р с ростом числа циклов нагружения N необходимо рассмотреть некоторые соотношения и допущения. В качестве первого допущения считаем, что интенсивность разрушения a_F возрастает прямо пропорционально фактической амплитуде действующих напряжений s_аф, то есть

(1.78)

где a - коэффициент пропорциональности, характеризующий изменение a_f на единицу амплитуды напряжений .

Это первое допущение можно объяснить законом Гука, по которому в пределах упругости деформация (приводящая к микропластическим разрушениям) прямо пропорциональна величине приложенных напряжений.

Зависимость s_аф от F_p, как второе допущение, можно принять линейной в виде

,

(1.79)

где ; с - коэффициент пропорциональности, характеризующий изменение амплитуды напряжения на единицу площади разрушения ().

Величина применяется в качестве свободного члена вследствие того, что усталостные разрушения начинают развиваться только при условии s_a>s_-1, то есть при превышении амплитуды предела усталости. С учетом зависимости (1.79) дифференциальное уравнение (1.78) примет вид

(1.80)

Интегрирование дифференциального уравнения (1.80) при начальных условиях F_p = 0 при N=0 позволяет получить зависимость площади разрушения F_p от числа циклов N в виде

или ,

(1.81)

где b =ас - коэффициент, с учетом смысла, параметров а и с имеет размерность, обратную N, - характеризует интенсивность разрушения в начале эксплуатации, обусловленную наличием концентраторов напряжений на поверхности детали (шероховатость, микротрещины от обработки и др.), неоднородностью материала, имеет размерность площади.

С учетом зависимостей (1.79) и (1.81) получим зависимость фактической амплитуды напряжений s_аф от числа циклов нагружения

(1.82)

То есть, в процессе эксплуатации фактическая амплитуда напряжений в несущих элементах материала детали возрастает по экспоненциальной зависимости (1.82). Разрушение детали произойдет тогда (при N=N_k ), когда s_аф достигнет предела прочности s_b для оставшихся несущих элементов, то есть с учетом зависимости (1.82)

.

(1.83)

Отсюда вытекает аналитическое выражение кривой многоцикловой усталости

(1.84)

Графическое пояснение развития разрушения в процессе эксплуатации по зависимости (1.82) и построение кривой многоцикловой усталости по условию (1.83) приведено на Рис. 2.47, где приведено семейство кривых (1.82) при различных уровнях s_а. Здесь также показано влияние исходного уровня амплитуды напряжений s_а на величину площади хрупкого разрушения F_x. Видно, что по мере роста s_а площадь F_x (заштрихованная) увеличивается.

Рис. 2.47. Повышение фактической амплитуды напряжении sаф в процессе эксплуатации при различных, уровнях исходной амплитуды sа и схема образования кривой усталости.

Для сложившихся условий эксплуатации автомобиля можно считать, что в единицу времени или за единицу пробега деталь испытывает определенное число циклов нагружения. Следовательно, зависимости (1.82) и (1.84) справедливы и для таких измерителей процесса эксплуатации, как время t и пробег l вместо N, то есть

	(1.85)
	(1.86)

В этом случае значения параметра b, будут другими, чем в зависимостях (1.82) и (1.84).

Наиболее часто в автомобиле усталостным разрушениям подвержены такие детали, как рессоры, поворотные кулаки, полуоси, пружины подвески, зубчатые передачи, подшипники качения, а также в некоторых случаях рабочая поверхность вкладышей подшипников коленчатого вала. Зачастую после ремонта усталостным разрушениям подвержены и коленчатые валы, особенно восстановленные наплавкой. Как правило, последствия усталостных разрушений тяжелее, чем отказов, обусловленных изнашиванием, так как их редко контролируют в процессе эксплуатации, вследствие чего их часто относят к разряду "внезапных" отказов. Для прогнозирования усталостных разрушений деталей необходимо, кроме закономерностей их развития в процессе эксплуатации, иметь и численные измерители, позволяющие оценить степень усталостных разрушений, их предельные значения и зависимости от наработки (тип зависимости и параметры).

Показателями усталостного разрушения таких деталей, как рессоры, поворотные кулаки, полуоси и подобные, могут быть концентрация микротрещин, их глубина, длина и пропорциональная им площадь разрушения. В настоящее время существуют методы и средства контроля (диагностирования) этих показателей усталостного разрушения. В качестве оценочного показателя (измерителя) для таких деталей, как рессоры, предложено отношение поврежденной площади сечения F_n к номинальной площади сечения F_n (D=F_n/F_н).

Данный критерий является безразмерным и удобным для прогнозирования. Однако несколько затруднено определение номинальной площади F_n, так как в процессе эксплуатации возникает и развивается, как правило, множество усталостных трещин, суммарная площадь которых может превышать номинальную площадь сечения детали (например, рессоры) и критерий D может быть больше единицы, что снижает его информационную ценность. Кроме того, трещины в деталях зачастую распространяются не перпендикулярно поверхности детали, а под некоторым углом и по сложной криволинейной поверхности.

Для таких деталей, как зубчатые колеса, беговые дорожки подшипников качения, вкладыши подшипников усталостные разрушения чаще всего проявляются в виде выкрашивания рабочей поверхности - питтинга. Количество выкрошенного материала можно оценить по площади, занимаемой лунками (оспинками), отнесенной к площади всей рабочей поверхности, что аналогично критерию D, который в этом случае меньше единицы.

Все показатели усталостного разрушения деталей (длина трещины, их глубина, концентрация микротрещин, площадь выкрашивания и др.) прямо пропорциональны площади разрушения и с ростом числа циклов нагружения возрастают по экспоненциальной зависимости (1.81), аналогично и с ростом наработки t или l.

Следует отметить, что зависимость (1.81) получена для периода эксплуатации после приработки. В начале периода приработки величина напряжений и их амплитуды более высокая, чем в конце вследствие технологических отклонений. Эта величина может с большей вероятностью превышать предел текучести, что приводит к начальным разрушениям в области малоцикловой усталости. В результате в конце периода приработки в детали накапливается площадь разрушения F_p0. С учетом зависимости (1.81) общая площадь разрушений составит

(1.87)

Приведенные аналитические зависимости подтверждаются многочисленными экспериментальными и статистическими данными (Рис. 2.48…Рис. 2.50) с коэффициентом корреляции от 0,795 до 0,99.

Следует отметить, что степень усталостного разрушения при отказе детали зависит от вида нагружения и от типа деталей.

Рис. 2.48. Зависимость длины усталостной трещины в стальном образце от числа циклов нагружения при амплитуде нагрузки (кН):

1 - 18,1; 2 - 22,7; 3 - 31,8; 4 - 45,5.

Рис. 2.49. Зависимость степени разрушения D от доли выработанного ресурса NT/N цапфы передней оси (1) и коренного листа рессоры (2) автомобиля.

Рис. 2.50. Зависимость площади усталостного выкрашивания антифрикционного слоя вкладышей от наработки двигателей ЗИЛ-130 (1) и ЯМЗ-238 (2).

Характерным отличием развития степени усталостных разрушений деталей является большее рассеивание по сравнению с закономерностями изнашивания и изменения геометрической формы в процессе эксплуатации. Следовательно, прогнозирование и предупреждение усталостных разрушений деталей даже с использованием диагностических средств более сложно, чем износных отказов.

Другой отличительной особенностью усталостных разрушений (повреждений) деталей является их меньшая пригодность к восстановлению. Как правило, детали, имеющие усталостные трещины, не подлежат восстановлению и отбраковываются.

Одной из наиболее дорогостоящих деталей автомобиля, подвергающейся циклическим нагрузкам и усталостным повреждениям является коленчатый вал двигателя. Оценить степень усталостных повреждений коленчатого вала можно по количеству (концентрации) усталостных трещин на шейках и галтелях. Наиболее часто усталостные тещины концентрируются в районе галтелей, а также смазочных отверстий (концентраторы напряжений). Собранные статистические данные по количеству усталостных трещин и их средней длине на коленчатых валах двигателей КамАЗ-740 и ЯМЗ-238 в зависимости от наработки (всего проанализировано около 450 коленчатых валов) подтверждают экспоненциальный характер степени усталостного разрушения коленчатых валов (Рис. 2.51,Рис. 2.52, Таблица 2.5).

В процессе анализа технического состояния двигателей КамАЗ-740 и ЯМЗ-238, поступивших в капитальный и текущий ремонт определяли также количество поломанных коленчатых валов. Как показывает анализ поверхностей разрушения (Рис. 2.53), на ней можно выделить гладкий участок (распространение трещины) и зернистый участок (хрупкий долом). Это свидетельствует об усталостном характере разрушения коленчатого вала. Количество поломанных валов увеличивается с ростом наработки также по экспоненциальной зависимости (Рис. 2.54, Таблица 2.5).

Рис. 2.51. Зависимость количества усталостных трещин на коленчатом вале двигателей
КамАЗ-740- 1 и ЯМЗ-238 - 2 от наработки.

Рис. 2.52. Зависимость средней длины усталостной трещины на коленчатом вале двигателей
КамАЗ-740 - 1 и ЯМЗ-238 - 2 от наработки

Судя по коэффициенту корреляции r экспоненциальная зависимость (1.87) имеет высокую тесноту связи с экспериментальными данными.

Приведенные на Рис. 2.51, Рис. 2.52, Рис. 2.54 данные свидетельствуют также о значительном влиянии материала коленчатого вала и условий работы на интенсивность усталостного разрушения. Коленчатый вал двигателей ЯМЗ-238 изготовлен из марганцовистой стали 50Г, имеющей хорошие усталостные характеристики. Коленчатый вал двигателей КамАЗ-740 изготовлен из штамповой стали 42ХМФА-Ш, которая имеет склонность к образованию трещин при хорошей износостойкости.

Рис. 2.53. Характер поверхности усталостного разрушения коленчатого вала.

Рис. 2.54. Зависимость доли поломанных коленчатых валов двигателей КамАЗ-740 - 1 и ЯМЗ-238 - 2 от наработки.

Таблица 2.5

Параметры зависимости показателей усталостного разрушения

коленчатого вала от наработки двигателей

Кроме того, номинальная частота вращения коленчатого вала двигателей ЯМЗ-238 составляет 2100 мин^-1, а КамАЗ-740 - 2600 мин^-1, что существенно повышает уровень амплитуды циклических нагрузок у последних. Давление в системе смазки двигателей ЯМЗ-238 в среднем в 1,6 раза выше, чем у двигателей КамАЗ-740, что также повышает вероятность контактирования шеек и вкладышей и контактные нагрузки.

Все эти факторы обуславливают большую интенсивность усталостных разрушений коленчатых валов двигателей КамАЗ-740, чем ЯМЗ-238 от 2-х до 4-х раз. В результате к наработке коленчатого вала двигателя КамАЗ-740 около 200 тыс. км, средняя длина трещин достигает предельных значений 4 мм (Рис. 2.52), при которых обычно вал ремонтируют. Перешлифовывание их под очередной ремонтный размер лишь в половине случаев устраняет эти трещины. К этой же наработке количество поломанных коленчатых валов достигает 4% (Рис. 2.54). Даже при восстановлении этих коленчатых валов наплавкой при деффектовке отбраковывается более половины ремфонда с наработкой более 200 тыс. км. Усталостная прочность восстановленных наплавкой коленчатых валов двигателей КамАЗ-740 еще ниже, чем не восстановленных, так как в элементах вала уже накоплены значительные усталостные разрушения, которые не всегда возможно обнаружить при деффектовке (внутренние трещины). Усталостная долговечность таких валов даже при высоком качестве восстановления не превышает 80…100тыс.км.

Таким образом, в процессе эксплуатации автомобиля под действием циклических нагрузок происходит усталостное разрушение деталей. Разрушение может проявляться в виде образования сетки растрескивания, магистральных трещины деталей, выкрашивания поверхности трения (питтинг). Эти показатели, характеризующие степень усталостного разрушения деталей в процессе эксплуатации возрастают по экспоненциальной зависимости (1.87). При выборе сроков и способов ремонта и восстановления деталей необходимо использовать методы и средств диагностирования и деффектовки для прогнозирования их ресурса, как первичного, так и вторичного.